共聚物体异质结中的超快极化子对电荷分离研究

Ultrafast charge separation in bulk heterojunctions sets the efficiency limit of organic solar cells. Recently, organic light conversion devices based on co-polymer bulk heterojunctions develop rapidly, while the intrinsic charge separation mechanism is still ambiguous. Excitons and polaron pairs can be generated simultaneously in co-polymers after photon excitation. Mostly, exciton separation is regarded as the major channel in previous studies. In order to separate the strongly bounded electrons and holes in excitons, at least 0.3 eV excess energy is needed for efficient charge generation. Hopefully, lower driving force may be needed for polaron pair separation because of the weaker bounding energy. Nevertheless, the mechanism of ultrafast charge separation mediated by polaron pairs in co-polymer bulk heterojunctions is seldom explored. In this project, we will utilize pump-push-probe spectroscopy with temporal resolution better than 10 fs to study the mechanism of ultrafast charge separation mediated by polaron pairs in co-polymer bulk heterojunctions. We will comprehend the important role played by hot electrons and vibronic coupling in polaron pair separation process and explore new synthetic strategy of co-polymers for efficient charge separation at low driving force.

体异质结中的超快电荷分离过程是决定有机太阳能电池光电转换效率的关键因素之一。近年来，以共聚物体异质结为基础的有机光电转换器件迅速发展，但是其中的电荷分离机制还不清楚，这制约了光电转换效率的进一步提高。共聚物在光照下能同时产生激子和极化子对两种元激发。传统理论认为，体异质结中的电荷分离由激子发生。为了拆分激子中紧密束缚的电子和空穴，至少需要引入0.3eV的驱动能。而极化子对中电子空穴束缚较弱，有望有效降低驱动能损失，但是其电荷分离机制还鲜有研究。本项目将利用<10fs时间分辨的泵浦-推进-探测超快光谱手段，系统研究共聚物中光生极化子对的超快电荷分离机制，探究热电子和电子振动耦合在其电荷分离过程中的作用，并进一步探索低驱动能电荷分离材料设计新方案。

项目负责人对共聚物体异质结中包括极化子对在内的多种激发态动力学机制进行了系统性的研究。本项目的主要成果包括（1）以共聚物/小分子（PM6/Y6）体异质结为模型研究了电荷分离过程。研究发现，不同于传统的束缚激子→界面间束缚电荷转移态→自由电荷的电荷分离机制，PM6/Y6体异质结中Y6分子间较强的相互作用导致Y6分子吸收光子后首先在畴内形成新的分子间激发态。该激发态中电子空穴较远的距离使得其能在界面直接发生电荷分离形成自由电荷。这一过程能够在较小的驱动能下高效发生，有效降低了电荷分离的能量损失。（2）研究了一系列共聚物和氟化和未氟化的非富勒烯受体分子体异质结中的电荷复合过程，结束显示分子氟化后能够有效增加给受体界面不同自旋态之间的耦合，从而降低界面电荷转移三重态的能量，并抑制三线态产生的非辐射复合通道。这一发现也为通过分子修饰来降低非辐射复合导致的开路电压损失，提高有机光电转换效率提供了新思路。项目执行期间，负责人作为第一作者或通讯作者发表JACS（2篇），JPCL（2篇）。